0 引言

　　为了实现更高速、更柔性的生产目的，传统上由机械部件完成的功能越来越多的由伺服系统完成。同时，工业现场总线的广泛应用，为分布式控制系统提供了良好的高实时性、高可靠性解决方案。目前，在一些大型包装、印刷、纺织、机器人和CNC等领域，该方案能够较好地解决系统模块化的布局，具有较高的应用价值。采用Powerlink开源技术作系统总线，能够较好地利用Powerlink开源的优势，提供较高的实时性和安全性，同时具有较低的成本。

1 分布式伺服控制

　　分布式伺服控制实质上是分布式驱动，集中式控制。系统由1个主控制器和，z个驱动节点组成，通过普通以太网介质组成环形网络。主控制器实现多轴控制的轨迹算法和主站通讯协议。轨迹控制算法实现了各轴的插补运算，并通过现场总线将指令发送到驱动节点。驱动节点根据目标指令和编码器反馈信息，实现控制环路，驱动电机运动。此外，总线上可以扩展I／O设备，采集传感器信息，扩展其他应用。

　　分布式伺服系统的性能优劣，很大程度上取决于选择的运动控制总线。总线的速度、协议的效率直接影响了伺服轴的数据更新时间，进而影响伺服轴的控制精度；总线的安全可靠性和自诊断、自恢复能力决定了控制系统的稳定性；总线的应用是否广泛、调试是否方便，影响了总线的市场通用性，开发成本的高低。

　　开源技术Ethernet Powerlink具有良好的性能。首先，Powerlink的通信周期短，能够在几百微妙内刷新全部节点的控制信息。其次，Powerlink通过数据传输的特定方法来确保安全性，摒弃了以前需要的双绞线装置，降低了配线需求。归功于严格确定的时序，非常短的循环周期，很低的网络抖动，开放的实时通信系统，为Powerlink安全性提供了理想的基础。此外，Powelrink与标准以太网兼容，具有高实时性、拓扑结构灵活、热插拔和开源等特点，这些都为Powerlink的广泛应用提供了基础。因此，选用Powerlink技术作为伺服控制总线，是性能良好且成本实惠的选择。

2 Powerlink在伺服驱动器上的实现

　　2.1 硬件框架

　　主控制器和驱动节点的硬件电路基本相同，都采用Freeseale CortexM4 ARM做主处理器，通过FlexBus总线与FPGA通信。FPGA外接DDR2存储器件和2个以太网控制芯片DP83630，主要实现Powerlink协议。驱动节点还有一个编码器模块输入和电机驱动输出。

　　2.2 初始化过程

　　首先是主站上电启动，初始化并等待从站节点的接人。然后驱动节点上电，驱动器进行自检和初始化。此时强电还没有接通，驱动节点应答主控制器的IdentRequest请求，完成Powerlink的初始化，并告知应用层当前初始化状态。应用层判断Powerlink初始化正常，接通强电，否则发出错误信息到数码管显示。

　　2.3 正常通信过程

　　初始化成功后，主从站根据对象字典配置信息进行通讯。主控制器依次给各驱动节点发送命令伺服使能，驱动节点反馈伺服就绪，开始正常运转。每个通信周期，主控制器给个驱动节点发送插补指令，驱动节点反馈实际转速和驱动器状态信息。

　　2.4 Powerlink移植

　　无论是否采用操作系统，Powerlink一般包括这样4个任务处理：事件队列、以太网收发事件、时钟事件和外部按键输入处理。由于没有使用操作系统，所以将事件队列和ms级时钟事件放在主函数中查询处理，以太网事件、高精度时钟事件和按键输入处理使用中断的方式实现，通过接口函数与协议栈进行通信。Powerlink主站的移植，针对XilinxSpartan6系列FPGA，修改了Ethernet Edrv。Timer，Buffer，以及Cfm模块。

　　Ethernet驱动使用了Powerlink IP核，IP核里调用openMAC来管理数据收发。Timer包括1个ms级时钟和2个ns级时钟。ms级时钟由软核定时器提供，ns级时钟TimerCycle由FPGA内部50 MHz时钟产生(每个滴答20 ns)，去掉了另外一个时钟TimerSlot，数据的发送改由定时发送帧的函数omethTransmitTime代替。Cfm配置模块中，cdc将文件转换成数组添加到工程里面，然后将对文件mnobd．cdc的处理转换成对Buffer的处理，这样就省去了FPGA对文件系统的支持。

　　Powerlink从站的移植，针对Cyclone IV做了相应修改，大体与主站修改过程类似。

　　2.5 测试结果

　　在100 Mbit／s的网络带宽下，通过Powerlink总线，400"s内实现了5个从站伺服驱动器的数据刷新，编码器反馈速度与命令速度之间有1～2个通信周期的滞后，基本上实现了各个驱动节点的同步控制。具体数据量与通信周期的关系如表3所示。

3 结束语

　　分布式伺服控制简化了机械设计，提高了设计的灵活性，在当前运动控制高速化、多轴化和复杂化的需求下，能够较好地满足市场需求。基于Powerlink通信技术的分布式伺服驱动器，结合了目前普遍采用的Powerlink总线技术，能够较好地满足较高的实时性和可靠性。